CC BY
30
УДК 628.316.12
Е. Ю. Анохина, С. В. Степанова
ОЧИСТКА МОДЕЛЬНОЙ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТРЕХВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА
РАСТВОРОМ РЕАГЕНТА ИЗ ПЛОДОВЫХ ОБОЛОЧЕК ЗЕРЕН ОВСА
Ключевые слова: реагентная очистка, ионы трехвалентного железа, модельная вода, полиакриламид, натронная варка целлюлозы, щелочные сточные воды, плодовые оболочки зерен овса.
Цель статьи заключается в определении возможности использования щелочного водного раствора, образующегося после натронной варки целлюлозы из плодовых оболочек зерен овса, для очистки модельной воды от ионов трехвалентного железа концентрацией 100 мг/дм3, по сравнению с уже существующим на предприятии реагентным методом.
Keywords: reagent treatment, ions of trivalent iron, model water, polyacrylamide, soda pulping of cellulose, alkaline waste water, fruit
shell of grains of oats.
The aim of article is determination the possibility of using alkaline aqueous solution, generated after soda pulping of cellulose from fruit shell of grains of oats, for model water purification from ions of trivalent iron concentration 100 mg/dm3, compared to reagent method is existing on enterprises.
Среди различного рода поллютантов, тяжелые металлы являются предметом повышенного интереса, во-первых, из-за их высокой токсичности для живых организмов, во-вторых, их способности к аккумуляции в живых организмах и, в-
третьих, из-за их способности к миграции в пределах природных и социоприродных экосистем.
Главными источниками загрязнения воды соединениями, содержащими тяжелые металлы, являются гальванические производства,
предприятия горнорудной, черной и цветной металлургии, машиностроительные заводы и другие предприятия различных отраслей промышленности [1]. В частности, большие концентрации соединений железа встречаются в шахтных водах, в сточных водах (СВ) травильных цехов, производства солей железа, иногда в сточных водах цехов крашения тканей и т.д. [2].
В настоящее время для очистки СВ от ионов тяжелых металлов (ИТМ) широко применяется реагентный метод. Он заключается в переводе растворимых соединений железа в нерастворимые, при добавлении различных реагентов с последующим отделением осадка. Чаще всего в качестве реагентов используются гидроксиды кальция и натрия, сульфид натрия и другие. Для ускорения осветления нейтрализованных СВ рекомендуется добавлять к ним синтетические флокулянты, чаще всего производные полиакриламида в виде водных растворов малой концентрации. Добавление последних увеличивает скорость седиментации образующихся осадков, содержащих гидроксиды железа в несколько раз. Также они способствуют расширению оптимальных областей рН, повышают плотность и прочность хлопьев [3].
Однако данный метод имеет ряд недостатков: необходимость организации и содержания реагентного хозяйства со специальным коррозионно-устойчивым оборудованием и дозирующими устройствами; значительный расход реагентов; невозможность возврата в оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного
солесодержания; получение трудно
обезвоживаемого и не утилизируемого осадка [4].
Для очистки СВ от ИТМ также можно использовать более эффективные методы: обратный осмос, нанофильтрацию, электрокоагуляцию и другие. Однако они дорогостоящие, в связи с этим необходимо внедрять новые реагентные способы, не требующие больших финансовых затрат и не оказывающие негативного влияния на природную среду [5].
В настоящее время для удаления поллютантов из сточных вод, в том числе и ИТМ, предложено использовать отходы промышленного и сельскохозяйственного производства, в том числе и сточные воды других производств [6-10].
Так на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности в результате натронной варки целлюлозы, где в качестве реагента используется едкий натр, образуется черный щелок, в состав которого входят извлеченные из древесины составляющие компоненты [11]. Наличие в стоках последних, а также гидроксида натрия, объясняет их высокое значение рН ~ 13,5 и возможность их использования на других предприятиях, в частности, для нейтрализации кислых гальваностоков и очистки последних от ИТМ, в том числе и от ионов железа (III).
Преимуществом данного способа является возможность очистки СВ от ионов железа (III) с одновременной утилизацией щелочных стоков, образующихся после натронной варки целлюлозы, а также снижение себестоимости процесса очистки, за счет исключения дорогостоящих реагентов.
Ранее показана возможность удаления ионов Ni2+ из модельных растворов стоками, образующимися в результате натронной варки целлюлозы из плодовых оболочек злаковых культур [12]. Применительно к ионам Fe(III), удаление последних ранее исследовалось с использованием щелочных растворов от натронной варки целлюлозы из шелухи оболочек овса [13], ионов Fe(II) - растворами от варки целлюлозы из шелухи оболочек ячменя [14]. На основании вышеизложенного, в данной работе
определялась возможность использования щелочного водного раствора, образующегося после натронной варки целлюлозы из плодовых оболочек зерен овса (ПОЗО), для очистки модельного раствора (МР) от ионов Fe3+ и сравнении с уже существующими на предприятиях реагентными методами.
В качестве объекта исследования использовалась модельная вода, представляющая собой раствор FeCl3 • 6Н20, с концентрацией ионов Fe3+ 100 мг/дм3. Модельный сток приготавливали путем растворения навески реагента, взятого с учетом кристаллизационной воды, в бидистилляте. рН модельного раствора составило рН = 2,26.
В качестве реагентов использовались:
1) раствор ЫаОН концентрацией 20 г/дм3;
2) 0,1 % -ные растворы полиакриламида марок «Праестол-611» (катионный), «Праестол-2640» (анионный), «Праестол-2500» (неионогенный);
3) сточная вода, полученная в результате щелочной варки целлюлозы из плодовых оболочек зерен овса.
Эксперимент заключался в следующем: в мерный цилиндр емкостью 200 см3 наливалось по 100 см3 железосодержащего МР и постепенно, по каплям, добавлялся раствор ЫаОН с вышеназванной концентрацией. Буквально с первых капель наблюдалось образование дисперсии Fe(0H)3 красно-бурого цвета согласно реакции:
FeClз + 3 ЫаОН ^ 3 ЫаС1 + Fe(0H)з¿.
При добавлении 1,21 см3 раствора ЫаОН, показатель рН очищаемого раствора достигает значения рН = 7-8. Образовавшаяся дисперсия имеет малые размеры и, в этой связи, долгое время седиментации осадка.
В связи с вышеизложенным, для увеличения размеров осадка и скорости осаждения, в последующем, исследовалось влияние марки и дозировки флокулянтов, указанных ранее. Действие последних основано на агломерации частиц в крупные флокулы. Процесс происходит вследствие адсорбции макромолекул в результате их физического или химического связывания с поверхностью частиц по механизму мостикообразования или нейтрализации зарядов.
Также определялось влияние марки флокулянта на конечное содержание ионов Fe(III) в очищенном растворе. Ход проведения экспериментов заключался в следующем: в три мерных цилиндра емкостью 200 см3 наливалось по 100 см3 МР с концентрацией ионов Fe 100 мг/дм3 и добавлялась 1,21 см3 раствора ЫаОН концентрацией 20 г/дм3 для достижения нужного значения рН и выпадения хлопьев Fe(0H)3. Затем, небольшими порциями, перемешивая, приливался раствор
соответствующего флокулянта, до образования хлопьев больших размеров. По окончании перемешивания содержимое цилиндров
отстаивалось в течение 10 минут.
После отстаивания растворы отфильтровывались и определялась масса осадков, а в фильтрате -
остаточные концентрации ионов Fe3+ , ХПК и значения рН по стандартным методикам.
Результаты очистки МР с применением флокулянтов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты очистки МР с применением флокулянтов
Показатели Марка флокулянта
Праестол 611 Праестол 2640 Праестол 2500
ХПК фильтрата, мг О2/дм3 649 984 787
рН 7,73 7,02 7,05
'Ур-ра NaOH, см3 1,21 1,21 1,21
Vр-ра флокулянта, 3 см 4 1 1
Остаточная концентрация ионов 3+ 3 Fe , мг/дм 2,14 8,55 5,70
moсадка, г/дм3 1,015 0,612 0,839
Эффективность очистки, % 97,86 91,45 94,30
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что при использовании флокулянта марки «Праестол-611» достигается наибольшая очистка МР от ионов железа (III).
При гидролизе FeCl3•6H20 образуется нерастворимый в воде гидроксид Fe(0H)3 и остается некоторое количество нерастворимого FeCl3. Первый реагент образует ядро мицеллы, второй служит стабилизатором. Мицелла представлена следующей формулой:
{^е(0НЫт • ^е0+, (п - х)а-} х а-.
При добавлении катионного флокулянта происходит его диссоциация с образованием низкомолекулярного аниона и положительно заряженного макроиона. Между последним и отрицательными анионами на поверхности частиц загрязнений образуются химические связи, что приводит к агломерации частиц в крупные флокулы и способствует увеличению скорости седиментации осадка.
Далее, исследовалась возможность очистки МР
3+
от ионов Fe с применением в качестве реагента СВ, полученной после натронной варки целлюлозы из ПОЗО.
В качестве сырья для натронной варки целлюлозы использовались ПОЗО и раствор ЫаОН с концентрацией 20 г/дм3. ПОЗО являются отходами от послеуборочной обработки зерна. В их состав
входят: лигнин - 18,40 %, целлюлоза - 38,09 % и другие биополимеры[13].
Приготовление раствора реагента из ПОЗО происходило следующим образом: в плоскодонную колбу емкостью 250 см3 помещалось 3 г навески ПОЗО и 100 см3 раствора ЫаОИ с концентрацией 20 г/дм3, затем проводилась термическая обработка (продолжительность варки 10 минут). По истечении времени выдержки содержимое колбы фильтровалось под вакуумом, осадок промывался до нейтрального значения рН.
Эксперимент осуществлялся добавлением в МР щелочного раствора реагента из ПОЗО.
В мерный цилиндр емкостью 100 см3 наливалось 100 см3 МР с концентрацией ионов Рв3+ 100 мг/дм3. Затем небольшими порциями, перемешивая, добавлялся реагент до выпадения хлопьев Ре(ОИ)3 красно-бурого цвета и достижения нужного значения рН раствора (рН = 7-8). Содержимое цилиндра отстаивалось в течение 1 часа.
После отстаивания раствор отфильтровывался, и определялись те же параметры, что и в предыдущих экспериментах.
Результаты очистки МР с применением в качестве реагента щелочного водного раствора после натронной варки целлюлозы из ПОЗО представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты очистки МР с применением в качестве реагента щелочного водного раствора
Реагент Щелочной водный раствор
ХПК фильтрата, мг О2/ дм3 36,31
рН 7,58
^реагента, см 1,60
Остаточная концентра-ция ионов Ре3+, мг/дм3 12,83
ГОосадка, г/дм3 0,648
Эффективность очистки, % 87,17
Из результатов проведенных опытов видно, что большая эффективность очистки МР от ионов железа (III) достигается при добавлении в качестве
реагентов раствора ЫаОИ и флокулянтов (91,45-97,86 %) по сравнению с реагентом, полученным после натронной варки целлюлозы из ПОЗО (87,17 %). С другой стороны, применение флокулянтов приводит к увеличению значений ХПК фильтратов и количества гальваношлама, который необходимо утилизировать.
Таким образом, очевидно, что СВ, образующиеся после натронной варки целлюлозы из ПОЗО, возможно рекомендовать в качестве щелочного реагента для очистки кислых железосодержащих стоков. В обоих случаях, остаточная концентрация ионов Ре(Ш) не соответствует нормам ПДК для сброса в городскую канализационную сеть (ПДКкан. = 0,6 мг/дм3), поэтому перед сбросом сточные воды следует разбавлять.
Литература
1. Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко, Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов. Учебное пособие, Изд-во ОмГТУ, Омск, 2005. 192 с.
2. Г.И. Николадзе, Обезжелезивание природных и оборотных вод, Стройиздат, М., 1978. 160 с.
3. О.Д. Лукашевич, Е.И. Патрушев, Известия ВУЗов. Химия и хим. технология, 1, 66-70 (2004).
4. В.И. Костюк, Г.С. Карнаух, Очистка сточных вод машиностроительных предприятий, Техника, Киев, 1990. 120 с.
5. С.С. Виноградов, Экологически безопасное гальваническое производство, Глобус, М., 1998. 302 с.
6. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлегулова, Вода проблемы и решения, 3, 3-12 (2008).
7. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлегулова, Вода проблемы и решения, 4, 16-30 (2008).
8. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлегулова, Вода проблемы и решения, 1, 49-60 (2009).
9. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлегулова, Вода проблемы и решения, 2, 28-39 (2009).
10. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлегулова, Вода и экология: проблемы и решения, 3, 13-23 (2009).
11. Ю. С. Иванов, Производство сульфатной целлюлозы. Учебное пособие, СПбГТУРП, Санкт-Петербург, 2010. 63 с.
12. Л.Р. Фахертдинова, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 24, 117120 (2015).
13. Р.Р. Фазлиахметова, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Э.Ф. Магизова, Вода: химия и экология, 12, 88-93 (2014).
и экология:
и экология:
и экология:
и экология:
© Е. Ю. Анохина - магистрант кафедры инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, [email protected]; С. В. Степанова - к.т.н., доцент той же кафедры.
© E. Y. Anokhina - master's degree student of Engineering Ecology Department of Kazan National Research Technological University, [email protected]; S. V. Stepanova - Ph. D, Associate Professor of Engineering Ecology Department of the same university.
